北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究

趙亞蓓，時(shí)建新

(1河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，河南鄭州，450015; 2 中鐵七局集團(tuán)廣州工程有限公司，廣東廣州，510700)

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成及原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段，地面段，用戶段3部分組成，空間段由27顆中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO），5顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）組成。地面段包括主控站、注入站和監(jiān)控站等。用戶端包括用戶端和其他與北斗兼容的用戶終端。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航原理與其他國(guó)家的導(dǎo)航系統(tǒng)相似，地面段的控制中心向同步軌道上的兩顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射測(cè)距信號(hào)，衛(wèi)星將接收到的測(cè)距信號(hào)進(jìn)行放大并經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向用戶廣播,用戶機(jī)在接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)距信號(hào)后，將立即發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)，再由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心系統(tǒng)，地面控制中心接收到用戶機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)立即進(jìn)行解調(diào)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)信號(hào)的時(shí)間延遲，計(jì)算出測(cè)距信號(hào)經(jīng)過(guò)中心站到達(dá)衛(wèi)星，再由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)用戶機(jī)，用戶再把響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的傳遞時(shí)間；并由此得到中心站至衛(wèi)星、衛(wèi)星至用戶的距離之和，再結(jié)合已知的中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的距離，進(jìn)行計(jì)算得到用戶機(jī)與兩顆衛(wèi)星的距離。最后地面控制中心系統(tǒng)再?gòu)拇鎯?chǔ)的數(shù)字化地形圖找到符合距離條件的點(diǎn)，利用數(shù)值地圖可計(jì)算出用戶的位置坐標(biāo)。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

北斗系統(tǒng)相比其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段是由三種軌道衛(wèi)星混合組成的星座，高軌衛(wèi)星多，抗遮擋能力更強(qiáng)[1]。二是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是三頻定位技術(shù)，定位精度可以達(dá)到 2cm。三是由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合了導(dǎo)航定位與通信數(shù)傳的功能，可以提供精準(zhǔn)定位、快速導(dǎo)航、精確授時(shí)、短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位共7類服務(wù)，是功能強(qiáng)大的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

（1）在線路測(cè)繪中的運(yùn)用。使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)繪制地形圖，可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，繪制出更完整的地形圖。北斗導(dǎo)航的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)可以應(yīng)用于公路工程的控制測(cè)量，進(jìn)行道路中線測(cè)量和定位。進(jìn)行縱斷面和橫斷面測(cè)量，繪制縱橫斷面圖，反映地面的高低起伏情況，計(jì)算土石方量等。

（2）在變形監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)建筑物進(jìn)行水平位移、沉降、傾斜等變形監(jiān)測(cè)，可以快速準(zhǔn)確獲得變形數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)建筑物的變形趨勢(shì)，節(jié)省了大量的人力、物力。

（3）在水下測(cè)繪中的運(yùn)用。進(jìn)行海洋測(cè)繪，繪制水下地形圖時(shí)，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以獲得更加精確的數(shù)據(jù)，繪制出的水下地形圖更能真實(shí)反映出海底的地形地貌。此外利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)碼頭和航道。

（4）在隧道測(cè)繪中的運(yùn)用。使用北斗導(dǎo)航布設(shè)大型隧道工程的地面控制網(wǎng)可以大幅度提高控制網(wǎng)的精度和可靠性[3]，并可以將北斗信號(hào)引入隧道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外導(dǎo)航定位的無(wú)縫銜接，具體操作是在隧道外部署運(yùn)營(yíng)管理站，接收在軌衛(wèi)星信號(hào)，采集實(shí)時(shí)星歷，在隧道內(nèi)按 30m 間距部署融合基站，接收運(yùn)營(yíng)管理站通過(guò)光纖傳遞的衛(wèi)星信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、星歷信息，經(jīng)過(guò)處理播發(fā)偽衛(wèi)星信號(hào)，應(yīng)用終端接收后進(jìn)行定位、導(dǎo)航。

（5）在管線測(cè)繪中的運(yùn)用。管線規(guī)劃得一般比較復(fù)雜，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以和管線信息系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行定位和測(cè)量，并繪制出管線三維可視化圖，這樣復(fù)雜的管道系統(tǒng)就可以通過(guò)衛(wèi)星查看。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在管道檢修中也能發(fā)揮很大的作用，可以及時(shí)報(bào)告管線中的異常情況，并準(zhǔn)確定位有問(wèn)題的管道路段，可以大幅度減少檢修工作的時(shí)間。

3.2 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于無(wú)人駕駛的農(nóng)機(jī)、農(nóng)作物的耕種、病蟲(chóng)害的防治，施肥、進(jìn)行土壤養(yǎng)分及分布調(diào)查等農(nóng)田信息的采集、監(jiān)控特種作物種植區(qū)、無(wú)人機(jī)植保等應(yīng)用。

具有控制技術(shù)的農(nóng)機(jī)，借助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)作物的播種、生長(zhǎng)和收獲整個(gè)過(guò)程，并能對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行24小時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)整合和分析。此外，農(nóng)機(jī)還可以在夜間工作，能夠減少能源消耗和肥料使用量。在農(nóng)業(yè)航空作業(yè)中，利用飛行器對(duì)指定作業(yè)區(qū)域的農(nóng)作物噴灑農(nóng)藥、施肥等，可以通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，自動(dòng)進(jìn)行航跡規(guī)劃，不僅節(jié)省了勞動(dòng)力，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還不浪費(fèi)農(nóng)藥、化肥等物資。

3.3 在電力行業(yè)中的應(yīng)用

主要包括電網(wǎng)時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一、電站環(huán)境監(jiān)測(cè)、電力車輛監(jiān)控等高精度北斗服務(wù)。

（1）電力系統(tǒng)時(shí)間同步。在電力系統(tǒng)中安置北斗精密授時(shí)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程時(shí)間的校準(zhǔn)和控制，提高室內(nèi)時(shí)間的管理效率，實(shí)現(xiàn)與國(guó)際時(shí)間的統(tǒng)一。

（2）電力作業(yè)監(jiān)控。通過(guò)北斗短報(bào)文服務(wù)功能，利用終端數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)與通信設(shè)備搭建溝通網(wǎng)絡(luò)，與作業(yè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，制定針對(duì)性作業(yè)方案，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位功能，可以了解作業(yè)小組的實(shí)時(shí)位置、作業(yè)狀態(tài)等，可以做到遠(yuǎn)程隨時(shí)指揮、把控他們。

（3）電力系統(tǒng)防災(zāi)監(jiān)測(cè)。由于各方面因素的影響，有時(shí)輸電線路桿塔會(huì)出現(xiàn)傾斜，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成很大的威脅，為了防止電力系統(tǒng)災(zāi)害的發(fā)生，可以安置報(bào)警裝置，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行全天候、精準(zhǔn)監(jiān)控，當(dāng)輸電線桿塔一旦出現(xiàn)傾斜的情況時(shí)，報(bào)警器迅速變紅，指揮中心的相關(guān)人員可根據(jù)報(bào)警器的位置快速定位故障點(diǎn)，并啟動(dòng)自檢功能，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、通信、信號(hào)處理等，判斷其是否能正常工作，指導(dǎo)維修人員制定維修方案，確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可通過(guò)分析變電站的地質(zhì)變化和實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)異常沉降作出預(yù)測(cè)，并反饋于指揮中心，在第一時(shí)間作出反應(yīng)，制定處理措施，保障了人們的生活安全。如圖1所示。

圖1 電力災(zāi)害監(jiān)測(cè)

（4）電力線路巡檢。在國(guó)道、水利和鐵路等現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中，需要進(jìn)行電力線路巡檢保障運(yùn)輸?shù)恼＿M(jìn)行。由于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)設(shè)備定位管理、監(jiān)控功能，在電力傳輸線路定位巡檢時(shí)，可以實(shí)時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行路徑進(jìn)行監(jiān)控，幫助無(wú)人機(jī)快速監(jiān)測(cè)地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析，并根據(jù)周邊環(huán)境制定合理的方案，提高遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析能力。

為了實(shí)現(xiàn)智能化高精度巡檢，達(dá)到厘米級(jí)定位，可為無(wú)人機(jī)安裝RTK 模塊，結(jié)合地圖系統(tǒng)，搭載激光雷達(dá)，對(duì)電力線路設(shè)備元件進(jìn)行空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，獲取設(shè)備的基本信息，為開(kāi)展檢修工作提供數(shù)據(jù)支持。

3.4 在減災(zāi)救災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在減災(zāi)救災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括對(duì)災(zāi)害的預(yù)警、災(zāi)害情況的上報(bào)、通信指揮救災(zāi)以及高樓、橋梁、水壩水庫(kù)等建筑的監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。

由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠進(jìn)行全天候、實(shí)時(shí)三維高精度測(cè)量，并借助大數(shù)據(jù)、人工智能等信息化技術(shù)手段，可以準(zhǔn)確快速獲取具體的受災(zāi)地區(qū)位置，還可以對(duì)高樓、橋梁、水壩水庫(kù)等建筑實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，為減災(zāi)工作提供了許多便利。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位功能，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的預(yù)警，受災(zāi)人員可以及時(shí)發(fā)送災(zāi)情信息、快速上報(bào)等；利用其短報(bào)文功能，出現(xiàn)災(zāi)情，進(jìn)行快速應(yīng)急通信，救援人員可以與指揮機(jī)構(gòu)、受災(zāi)人員進(jìn)行溝通交流[4]、指揮調(diào)度等，這樣同時(shí)解決了定位和通信的問(wèn)題，大大提高了災(zāi)害應(yīng)急救援反應(yīng)速度和決策能力。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可以用于防洪救災(zāi)，通過(guò)在合適的位置布設(shè)傳感器，實(shí)時(shí)收集水位、流速等信息，形成實(shí)時(shí)區(qū)域水情圖，實(shí)時(shí)分析判斷決堤點(diǎn)、危險(xiǎn)地段，提前安全撤離，從而提高了工作效率[5]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還有其他減災(zāi)救災(zāi)的應(yīng)用，如可以用于山體滑坡監(jiān)測(cè)，橋梁抖動(dòng)監(jiān)測(cè)、大樓搖擺監(jiān)測(cè)等，一旦監(jiān)測(cè)到，可以及時(shí)向監(jiān)測(cè)中心發(fā)布預(yù)警，從而減少損失[6]，如圖2所示。

圖2 災(zāi)害檢測(cè)

3.5 在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用包括海、陸、空中的應(yīng)用，如船舶的停泊與靠岸，內(nèi)河航運(yùn)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、車輛的導(dǎo)航系統(tǒng)、智能信息系統(tǒng)及運(yùn)營(yíng)跟蹤監(jiān)控等，航線的導(dǎo)航、機(jī)場(chǎng)的跟蹤監(jiān)控、精密進(jìn)近等。

（1）交通運(yùn)輸方面。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的智能交通，可以實(shí)時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行定位，如果超速，就會(huì)報(bào)警，語(yǔ)音提示。實(shí)時(shí)獲取車輛位置附近的環(huán)境信息，判斷道路阻塞、事故等交通情況[6]，實(shí)時(shí)指導(dǎo)駕駛員走最優(yōu)路線，借助開(kāi)發(fā)的軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員以及乘客的情況。還可以利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分服務(wù)，將定位精度提升至亞米級(jí)，提供車道級(jí)別的導(dǎo)航服務(wù)[7]，在復(fù)雜路口提供車道指引，當(dāng)車輛不小心偏航或者駛?cè)脲e(cuò)誤車道時(shí)，可及時(shí)進(jìn)行提醒和變道引導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)車道級(jí)別的導(dǎo)航，還可在實(shí)線處、違法拍照處進(jìn)行相應(yīng)提醒，避免壓實(shí)線、變道等交通違法操作。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可以為中歐班列的安全高效運(yùn)行保駕護(hù)航。在中歐班列上，在每個(gè)集裝箱上安裝北斗定位終端，實(shí)時(shí)記錄列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，跟蹤監(jiān)控班列的運(yùn)行情況，由于北斗的服務(wù)區(qū)域已經(jīng)由國(guó)內(nèi)及周邊擴(kuò)展至全球，所以即使出現(xiàn)信號(hào)盲區(qū)，也可以先把運(yùn)行信息進(jìn)行緩存，當(dāng)信號(hào)恢復(fù)后再傳輸，這樣保證了信息的完整性。

（2）交通監(jiān)管方面。當(dāng)海上發(fā)生事故時(shí)，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線電測(cè)定功能，事故人員利用北斗用戶終端向北斗衛(wèi)星發(fā)送定位請(qǐng)求，由運(yùn)控站測(cè)算事故人員的實(shí)時(shí)位置信息，大大縮短了營(yíng)救時(shí)間[8]。如果出現(xiàn)車輛碰撞的交通事故時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可以通過(guò)對(duì)碰撞時(shí)車輛間相對(duì)位置關(guān)系的分析，對(duì)交通事故作出責(zé)任鑒定與分析，大大提高了交通事故的處理效率。

（3）交通通信服務(wù)方面。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還能提供雙向通信服務(wù)，在出海的船只上安裝北斗終端，當(dāng)出現(xiàn)遇險(xiǎn)的情況時(shí)，救援人員和遇險(xiǎn)人員可以通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，使救援人員快速了解遇險(xiǎn)情況，制定出救援方案，大大縮短了海上遇險(xiǎn)人員的救援時(shí)間。

4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用展望及存在的問(wèn)題

隨著日趨完善的電子地圖，極大地提高了北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)用性，在未來(lái)的發(fā)展中，利用互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)將會(huì)產(chǎn)生更多、更好的產(chǎn)業(yè)服務(wù)，有效推動(dòng)北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，提高其應(yīng)用水平。比如在電信業(yè)務(wù)中應(yīng)用北斗的位置服務(wù)，可以大大擴(kuò)大手機(jī)短信服務(wù)業(yè)務(wù)的市場(chǎng)規(guī)模。

目前在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展中，還存在一些問(wèn)題亟待解決。首先，由于衛(wèi)星定位信號(hào)無(wú)法穿透建筑物等實(shí)體，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在連續(xù)實(shí)時(shí)高精度定位、水下導(dǎo)航等領(lǐng)域不能得到充分的應(yīng)用。其次，由于導(dǎo)航信號(hào)容易受到障礙物的遮擋、反射，存在多路徑效應(yīng)，以及電離層、對(duì)流層對(duì)信號(hào)的干擾，這些都將會(huì)一定程度上降低其定位的精度和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的，其產(chǎn)業(yè)也成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，隨著該系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，將會(huì)不斷涌現(xiàn)新的研究成果和技術(shù)應(yīng)用，北斗產(chǎn)業(yè)鏈也會(huì)不斷完善，其服務(wù)性將得到提升，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)具有更大的應(yīng)用空間和應(yīng)用價(jià)值，發(fā)揮更大的作用。